ЧУГУН Российский патент 1995 года по МПК C22C37/10 

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к составам чугунов, которые используются при производстве тормозных колодок.

В настоящее время одним из наиболее распространенных материалов при производстве железнодорожных тормозных колодок является чугун с повышенным содержанием фосфора, обеспечивающий хорошие эксплуатационные свойства при работе отливок на износ.

Известен чугун [1] следующего состава, мас. Углерод 2,0-3,6 Кремний 0,5-2,5 Марганец 0,4-1,5 Титан 0,08-0,2 Ванадий 0,05-0,2 Церий 0,002-0,02 Фосфор 1,0-4,0 Железо Остальное
Недостатками данного чугуна являются недостаточно высокие износостойкость и коэффициент трения при трении в области повышенных нагрузок, что связано с низким сопротивлением разрушению данного чугуна под действием сил отрыва.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому составу чугуна является чугун [2] содержащий, мас. Углерод 2,0-3,6 Кремний 1,8-3,5 Марганец 0,3-0,8 Фосфор 1,0-3,5 Редкоземель- ные элементы 0,005-0,05 Магний 0,02-0,06
Щелочно-зе-
мельные эле- менты 0,001-0,035 Ванадий 0,02-0,3 Хром 0,04-0,3 Железо Остальное
Недостатками данного чугуна являются недостаточно высокие коэффициент трения и его сопротивление процессам изнашивания в тяжелых условиях трения.

Целью изобретения является повышение коэффициента трения и снижение износа при давлении в трущейся системе 8 МПа.

Это достигается тем, что чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, фосфор, редкоземельные элементы, магний, щелочно-земельные элементы, хром и железо, согласно изобретению дополнительно содержит алюминий и никель при следующем соотношении компонентов, мас. Углерод 2,0-3,6 Кремний 2,5-3,5 Марганец 0,1-1,5 Фосфор 3,0-3,5 РЗЭ 0,010-0,03 ЩЗЭ 0,001-0,035 Магний 0,02-0,06 Хром 0,04-0,5 Алюминий 0,1-0,5 Никель 0,01-1,1 Железо Остальное
Содержание компонентов в предлагаемом чугуне выбрано, исходя из следующих соображений. Проведенные исследования влияния атомного и электронного строения металлов на фрикционные свойства показывают, что одним из путей повышения коэффициент трения является повышение прочности когезионных связей. Это может быть достигнуто за счет повышения в межатомных связях ковалентной составляющей, что, в частности, достигается за счет увеличения в структуре количества фосфидов, силидов и алюмидов. Экспериментально также установлено, что снижение коэффициент трения происходит за счет увеличения количества цементитной составляющей в структуре чугуна. Исходя из этого, в предлагаемом чугуне выбрано заявляемое количество кремния, фосфора и введен алюминий. Наличие в чугуне алюминия в заявляемом количестве, совместно с другими компонентами обеспечивает выделение в его структуре тройной мелкозернистой фосфидной эвтектики и ферритно-перлитной металлической основы, что повышает коэффициент трения чугуна по сравнению с прототипом.

Известно, что интенсивность процессов изнашивания чугунов при трении в области высоких нагрузок во многом зависит не только от их исходной структуры, но и в первую очередь от образующихся в поверхностных слоях "вторичных" структур, являющихся результатом протекания процессов закалки и отпуска. Введение в предлагаемый состав чугуна алюминия и никеля, распределяющихся преимущественно в металлической основе, способствует образованию в процессе трения в поверхностных слоях отливок метастабильной аустенитно-мартенситно-карбидной структуры в отличие от преимущественно аустенитной структуры, образующейся при трении, чугуна-прототипа. Обладая более высоким сопротивлением изнашиванию, аустенитно-мартенситно-карбидная структура обеспечивает снижение износа при повышенных нагрузках. При содержании в предлагаемом чугуне алюминия и никеля ниже заявляемых пределов не обеспечиваются повышение коэффициента трения и снижение износа в условиях трения при давлении в трущейся системе 8 МПа, так как не происходит влияния на характер образования вторичных структур при трении. При содержании этих элементов выше предлагаемого верхнего предела ухудшается форма графитовых включений, которые наряду с шаровидной формой частично выделяются в пластинчатой форме, что снижает защитное действие вторичных структур при трении и повышает износ в области высоких нагрузок.

Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с прототипом показал, что данный состав чугуна отличается от известного введением новых компонентов, а именно: алюминия и никеля. Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна".

В процессе исследования заявляемого технического решения по научно-технической и патентной литературе не выявлены источники, содержащие в совокупности признаки, отличающие данное техническое решение от прототипа.

Известно введение в состав чугуна алюминия [3] обеспечившее повышение его прочности и износостойкости.

Известно также введение в состав чугуна никеля [4] что позволило совместно с другими компонентами чугуна повысить жаропрочность, пластичность и эксплуатационные свойства.

Однако введение никеля и алюминия в состав чугуна в сочетании с другими его компонентами не обеспечивает таких свойств, которые они проявляют в заявляемом решении, а именно повышение коэффициента трения и снижение износа при давлении в трущейся системе 8 МПа.

Таким образом, данный признак проявляет новое ранее неизвестное свойство, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "существенные отличия".

П р и м е р. Для анализа влияния предлагаемого состава чугуна на фрикционные свойства были выплавлены чугуны заявляемого состава и состава-прототипа, представленные в таблице. Плавки проводились в 50 кг индукционной печи. Исходный химический состав чугуна был следующим, мас. 1,9-3,7 C; 1,2-1,5Si; 0,05-1,6 Mn; 2,2-3,6 P; 0,03-0,6 Cr; 0,09-0,6 Al; 0,01-1,2 Ni; Fe остальные. При разливке чугунов из печи в ковш для получения компактных форм графита проводилась его обработка комплексным модификатором ФСМ-5 (ТУ 14-5-134-86). Приготовленные из данных чугунов образцы были испытаны на трение и износ по схеме диск-колодка на установке СМЦ-2 при давлении в трущейся системе 8 МПа, что обеспечивало образование в поверхностных слоях вторичных структур. В качестве контртела использовались образцы в виде колодки из термообработанной стали У8 с твердостью 280 НВ.

Как показали проведенные измерения, при содержании компонентов чугуна на нижнем и верхнем пределах (образцы N 2 и 3) обеспечиваются повышение коэффициента трения и снижение износа в области повышенной нагрузки по сравнению с прототипом. При содержании элементов ниже нижнего и выше верхнего уровня происходят резкое снижение коэффициента трения и повышение величины износа (образцы N 4 и 5).

Использование заявляемого изобретения позволяет повысить эксплуатационные свойства отливок, работающих во фрикционных узлах трения,
снизить тормозной путь;
повысить срок службы отливок.

Использование: изобретение относится к металлургии, в частности к составам чугунов, применяемых при производстве тормозных колодок. Сущность изобретения: чугун содержит углерод, кремний, марганец, фосфор, редкоземельные элементы (РЗЭ), магний, щелочноземельные элементы (ЩЗЭ), хром и железо. Новым в нем является введение алюминия и никеля. Все компоненты чугуна взяты в следующем соотношении, мас.%: углерод 2,0 - 3,6; кремний 2,5 - 3,5; марганец 0,1 - 1,5; фосфор 3,0 - 3,5; РЗЭ 0,01 - 0,03; ШЗЭ 0,001 - 0,035; магний 0,02 - 0,06; хром 0,04 - 0,5; алюминий 0,1 - 0,5; никель 0,01 - 1,1; железо остальное. 1 табл.

ЧУГУН, содержащий углерод, кремний, марганец, фосфор, редкоземельные элементы, щелочноземельные элементы, магний, хром и железо, отличающийся тем, что, с целью повышения коэффициента трения и снижения износа при давлении в трущейся системе 8 МПа, он дополнительно содержит алюминий и никель при следующем соотношении компонентов, мас.

Углерод 2,0 3,6
Кремний 2,5 3,5
Марганец 0,1 1,5
Фосфор 3,0 3,5
Редкоземельные элементы 0,01 0,03
Щелочноземельные элементы 0,001 0,035
Магний 0,02 0,06
Хром 0,04 0,5
Алюминий 0,1 0,5
Никель 0,01 1,1
Железо Остальное